JP4918066B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、カレントモード制御手段を含むスイッチング制御手段により、負荷に安定化した直流電圧を供給するスイッチング電源装置に関する。

直流入力電圧を、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等のスイッチング素子により所定の周期でスイッチングし、整流平滑化した直流出力電圧を負荷に供給し、その直流出力電圧が設定値となるように、スイッチング素子のオン期間を制御するスイッチング電源装置は、既に各種の構成が知られている。又スイッチング電源装置は、直流出力電圧が設定電圧となるようにスイッチング素子のオン期間を制御するものであるが、起動初期の過渡的な制御状態に於いて、直流出力電圧がオーバーシュートする現象が発生する。このオーバーシュートによる電圧は、急激に所定の電圧を超えるように変化するものであるから、半導体集積回路等の負荷に対して悪影響を及ぼす可能性が高いものとなる。従って、このオーバーシュートの発生を抑圧する為のソフトスタート回路を設けた構成が適用される場合が多い（例えば、特許文献１参照）。又平滑回路を構成するチョークコイルを流れる電流を検出してフィードバック制御するカレントモード制御手段を備えたスイッチング電源装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。

このようなカレントモード制御手段とソフトスタート回路とを適用した従来例のスイッチング電源装置の要部を図３に示す。同図に於いて、Ｅは直流電源、Ｑ１は電界効果トランジスタ等のスイッチング素子、Ｄ１はダイオード、Ｌ１はチョークコイル、Ｃ１，Ｃ２はコンデンサ、Ｒ１〜Ｒ３は抵抗、ＲＬは負荷、ＳＷはソフトスタートスイッチ、Ｖｒｅｆは基準電源電圧、Ｖｒは基準電圧、Ｖｉｎは入力電圧、Ｖｏｕｔは出力電圧、Ｖ１はチョークコイルに流れる電流を検出した電流検出電圧、Ｖ２は誤差電圧、Ｖ３は出力検出電圧、Ｉ１は負荷電流、Ｉ２はチョークコイル電流、２１は電流電圧変換器（Ｉ／Ｖ）、２２はカレントトランスやチョークコイル二次巻線等によりチョークコイルを流れる電流を検出する電流検出器、２３は誤差増幅器、２４は比較器、２５は発振器（ＯＳＣ）、２６はセット端子Ｓとリセット端子Ｒと出力端子Ｑとを有するフリップフロップを示す。

ソフトスタート回路は、ソフトスタートスイッチＳＷと抵抗Ｒ３とコンデンサＣ２とを含む構成を有し、カレントモード制御回路は、電流検出器２２と、電流電圧変換器２１と比較器２４とを含む構成を有する場合を示し、スイッチング素子Ｑ１は、フリップフロップ２６の出力端子Ｑがハイレベル（“１”）の時にオンとなる場合を示す。又発振器２５は、スイッチング素子Ｑ１のオン、オフ周期に対応した一定の周期の出力信号をフリップフロップ２６のセット端子Ｓに入力する。例えば、ソフトスタート回路のソフトスタートスイッチＳＷを図示のようにオン状態とすると、コンデンサＣ２は短絡状態となり、誤差増幅器２３に入力される基準電圧Ｖｒは０Ｖとなる。従って、誤差増幅器２３の出力の誤差電圧Ｖ２は０Ｖとなり、比較器２４の出力信号はハイレベル“１”を継続する。又発振器２５の一定周期の出力信号によってセットされるフリップフロップ２６は、比較器２４の出力信号（“１”）によってリセットされる。従って、ソフトスタートスイッチＳＷをオン状態としている場合、フリップフロップ２６は、リセット状態を継続することになり、スイッチング素子Ｑ１はオフ状態を継続し、負荷ＲＬに印加する出力電圧Ｖｏｕｔは０Ｖとなる。従って、誤差増幅器２３に入力される出力検出電圧Ｖ３も０Ｖとなる。即ち、スイッチング電源装置としては休止状態を継続する。

ソフトスタートスイッチＳＷをオフとすると、抵抗Ｒ３を介してコンデンサＣ２に基準電源電圧Ｖｒｅｆから充電され、コンデンサＣ２の端子電圧が誤差増幅器２３の基準電圧Ｖｒとして入力される。この場合の基準電圧ＶｒはＣＲ時定数に従って上昇する。又抵抗Ｒ１，Ｒ２による出力電圧Ｖｏｕｔを分圧した出力検出電圧Ｖ３を誤差増幅器２３に入力し、基準電圧Ｖｒとの差の誤差電圧Ｖ２を比較器２４に入力し、電流検出器２２によりチョークコイルＬ１に流れる電流を検出して、電流電圧変換器２１により変換した電流検出電圧Ｖ１を比較器２４に入力し、Ｖ１≧Ｖ２となった時に、フリップフロップ２６をリセットして、スイッチング素子Ｑ１をオフとする。このフリップフロップ２６は、前述のように、発振器２５の出力信号によりセットされ、比較器２４の出力信号によりリセットされ、出力端子Ｑからのセット出力信号によりスイッチング素子Ｑ１はオンとなる。このスイッチング素子Ｑ１がオンとなった時に、チョークコイルＬ１を介してコンデンサＣ１の充電電流と負荷ＲＬに供給する電流Ｉ１とが流れる。その後にスイッチング素子Ｑ１がオフとなると、チョークコイルＬ１の蓄積エネルギによる電流がダイオードＤ１を介して、コンデンサＣ１と負荷ＲＬとに流れる。負荷ＲＬに印加する出力電圧Ｖｏｕｔは、ソフトスタートスイッチＳＷをオフとすることにより、次第に上昇して、基準電圧Ｖｒにより定まる一定の電圧に制御される。
特開２０００−１０２２４３号公報 特開２００２−２８１７４２号公報

前述の従来のソフトスタート回路とカレントモード制御回路とを含む構成のスイッチング電源装置は、理想的には、ソフトスタート回路により、出力電圧の立上りが所定の時定数に従って円滑な特性となり、且つカレントモード制御回路により、負荷電流の変化に対して、出力電圧の変動を抑制する特性となる。しかし、前述の図３に示す従来のスイッチング電源装置は、出力電圧の立上り特性が必ずしも円滑な特性とはならない問題がる。図４は、前述の図４に示すスイッチング電源装置の動作特性の概要を示すものであり、Ｖｒ，Ｖｏｕｔ，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３はそれぞれ、基準電圧、出力電圧、電流検出電圧、誤差電圧、出力検出電圧の概要特性を示す。なお、横軸はそれぞれ同一の時間ｔを示すが、縦軸はそれぞれ同一又は異なる電圧として示す。

ソフトスタートスイッチＳＷをオフとすると、基準電源電圧ＶｒｅｆによりコンデンサＣ２は抵抗Ｒ３を介して充電され、コンデンサＣ２の端子電圧が基準電圧Ｖｒとして、誤差増幅器２３に入力される。従って、基準電圧Ｖｒは、図４の一番上に示すように、ＣＲ時定数に従って上昇し、基準電源電圧Ｖｒｅｆと略同様な値の基準電圧Ｖｒとなる。この基準電圧Ｖｒの上昇に対応して出力電圧Ｖｏｕｔ（出力検出電圧Ｖ３）も上昇する。この出力電圧Ｖｏｕｔ（出力検出電圧Ｖ３）の上昇に対応してチョークコイルＬ１に流れる電流Ｉ２は、負荷ＲＬに流れる電流Ｉ１とコンデンサＣ１の充電電流との和となり、急激に増加し、電流検出電圧Ｖ１は、所定値を超えた値となる。カレントモード制御回路としては、電流検出電圧Ｖ１が所定値を超えた電流が流れたことにより、ソフトスタート期間であっても、スイッチング素子Ｑ１のオン期間を短縮するように制御して、出力電圧Ｖｏｕｔ（出力検出電圧Ｖ３）を低下させる。

この出力電圧Ｖｏｕｔ（出力検出電圧Ｖ３）の低下により、チョークコイルＬ１に流れる電流Ｉ２も減少し、この電流Ｉ２の変化に対応して、電流検出電圧Ｖ１は、急上昇した後、低下する。そして、出力電圧Ｖｏｕｔ（出力検出電圧Ｖ３）が所定値となった時点では、電流Ｉ２は所定値、即ち、電流検出電圧Ｖ１は所定値となる。このように、ソフトスタート回路とカレントモード制御回路とを備えた従来のスイッチング電源装置に於いては、図４の上から２番目に示す出力電圧Ｖｏｕｔの立上り過程の途中で、ａ点に於いて急変することにより、誤差電圧Ｖ２も変化する。このように、負荷ＲＬに印加する出力電圧Ｖｏｕｔの急激な変化は、半導体集積回路等の耐圧の低い負荷に対して悪影響を及ぼす問題がある。

本発明は、スイッチング電源装置のソフトスタート時の負荷に印加する出力電圧が滑らかに上昇し、負荷に印加電圧の急変による衝撃を与えないようにすることを目的とするものである。

本発明のスイッチング電源装置は、負荷に印加する出力電圧を検出した出力検出電圧と基準電圧とを誤差増幅器に入力して求めた誤差分と、スイッチング素子によりオン、オフ制御した電流を、チョークコイルを介して前記負荷に供給すると共に、該電流を検出して電圧に変換した電流検出電圧とを求めて、その誤差分と電流検出電圧とを比較器により比較し、誤差分と電流検出電圧との差分に対応して前記スイッチング素子のオン期間を制御するカレントモード制御回路と、前記基準電圧を起動時に徐々に上昇させるソフトスタート回路とを含むスイッチング電源装置であって、前記電流検出電圧を入力する前記比較器の端子と前記出力検出電圧を入力する前記誤差増幅器の端子との間に、抵抗とコンデンサとの直列回路を接続した構成を備えている。

ソフトスタート回路により誤差増幅器に入力する基準電圧を徐々に増加させることにより、負荷に印加する出力電圧を徐々に増加し、その出力電圧の増加に対してチョークコイルに流れる電流が急激に増加することから、従来は、スイッチング素子のオン期間を短縮することにより、出力電圧が一時的に低下し、その後に急上昇するものであったが、比較器の電流検出電圧の入力端子と、誤差増幅器の出力検出電圧の入力端子との間に接続した抵抗とコンデンサとにより、電流検出電圧の急変成分を出力検出電圧に重畳させて、スイッチング素子のオン期間短縮による出力電圧の一時的な低下を回避し、ソフトスタート回路によるソフトスタート特性に対応して、出力電圧を滑らかに上昇させることが可能となる。

本発明のスイッチング電源装置は、図１を参照して説明すると、負荷ＲＬに印加する出力電圧Ｖｏｕｔを検出した出力検出電圧Ｖ３と基準電圧Ｖｒとを誤差増幅器２３に入力して誤差電圧Ｖ２を求め、スイッチング素子Ｑ１によりオン、オフ制御した電流を、チョークコイルＬ１を介して負荷ＲＬに供給すると共に、チョークコイルＬ１に流れる電流Ｉ２を検出して、電流電圧変換器２１により電流検出電圧Ｖ１に変換し、その電流検出電圧Ｖ１と、誤差電圧Ｖ２とを比較器２４に入力して比較し、誤差電圧Ｖ２と電流検出電圧Ｖ１との差分に対応してスイッチング素子Ｑ１のオン期間を制御するカレントモード制御回路と、誤差増幅器２３に入力する基準電圧Ｖｒを起動時に徐々に上昇させるソフトスタート回路とを含むスイッチング電源装置であって、電流検出電圧Ｖ１を入力する比較器２４の端子と出力検出電圧Ｖ３を入力する誤差増幅器２３の端子との間に、抵抗Ｒ４とコンデンサＣ３との直列回路を接続した構成を備えている。

図１は、本発明の実施例１の説明図であり、Ｅは直流電源、Ｑ１は電界効果トランジスタ等のスイッチング素子、Ｄ１はダイオード、Ｌ１はチョークコイル、Ｃ１〜Ｃ３はコンデンサ、Ｒ１〜Ｒ４は抵抗、ＲＬは半導体集積回路や各種の負荷、ＳＷはソフトスタートスイッチ、Ｖｒｅｆは基準電源電圧、Ｖｒは基準電圧、Ｖｉｎは入力電圧、Ｖｏｕｔは出力電圧、Ｖ１はチョークコイルに流れる電流を検出した電流検出電圧、Ｖ２は誤差増幅器２３の出力の誤差電圧、Ｖ３は抵抗Ｒ１，Ｒ２により分圧した出力検出電圧、Ｉ１は負荷ＲＬに供給する負荷電流、Ｉ２はチョークコイルＬ１を介してコンデンサＣ１や負荷ＲＬに流れるチョークコイル電流、２１は電流電圧変換器（Ｉ／Ｖ）、２２はカレントトランスやチョークコイルの二次巻線等によりチョークコイルＬ１を流れる電流を検出する電流検出器、２３は誤差増幅器、２４は比較器、２５は発振器（ＯＳＣ）、２６はセット端子Ｓとリセット端子Ｒと出力端子Ｑとを有するフリップフロップを示す。

ソフトスタートスイッチＳＷをオフとすることにより、基準電圧ＶｒをコンデンサＣ２と抵抗Ｒ３とによるＣＲ時定数に従って滑らかに上昇させて、スイッチング電源装置のスイッチング素子Ｑ１のオン期間を０から順次長くし、出力電圧Ｖｏｕｔを上昇させる。この出力電圧Ｖｏｕｔにより、負荷ＲＬとコンデンサＣ１とに電流が流れる。又スイッチング素子Ｑ１がオン状態に於いて流れた電流によるチョークコイルＬ１の蓄積エネルギにより、スイッチング素子Ｑ１がオフ状態となった時に、負荷ＲＬ及びコンデンサＣ１に流れる。このチョークコイルＬ１に流れる電流Ｉ２を電流検出器２２により検出し、電流電圧変換器２１により電流検出電圧Ｖ１に変換して比較器２４に入力する。この電流電圧変換器２１により変換した電流検出電圧Ｖ１を、抵抗Ｒ４とコンデンサＣ３とを介して、出力検出電圧Ｖ３に重畳させて誤差増幅器２３に入力する。即ち、抵抗Ｒ４とコンデンサＣ３とを介して、チョークコイルＬ１に流れる電流Ｉ２の変化分に相当する電流検出電圧を、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２による出力検出電圧Ｖ３に重畳して誤差増幅器２３に入力する。それにより、出力電圧Ｖｏｕｔの立上り過程に於けるチョークコイルＬ１に流れる電流Ｉ２の急上昇によるスイッチング素子Ｑ１のオン期間短縮を回避し、出力電圧Ｖｏｕｔを円滑に上昇させることができる。

図２は、図１に示す本発明の実施例１の動作概要の説明図であり、Ｖｒは基準電圧、Ｖｏｕｔは出力電圧、Ｖ１はチョークコイルに流れる電流を検出して電圧に変換した電流検出電圧、Ｖ２は誤差増幅器２３の出力の誤差電圧、Ｖ３は分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２による出力検出電圧のそれぞれソフトスタート過程に於ける概要を示す。誤差増幅器２３に入力する基準電圧Ｖｒは、従来例と同様に、ソフトスタートスイッチＳＷをオフとすることにより、コンデンサＣ２と抵抗Ｒ３とによるＣＲ時定数に従って上昇する。この基準電圧Ｖｒの上昇に従って出力電圧Ｖｏｕｔは上昇し、チョークコイルＬ１に流れる電流Ｉ２も増加し、電流検出電圧Ｖ１も上昇し、その変化分が抵抗Ｒ４とコンデンサＣ３とを介して、出力検出電圧Ｖ３に重畳されて誤差増幅器２３に入力される。それにより、チョークコイルＬ１に流れる電流が急増しても、それに対応して、誤差増幅器２３に入力する出力検出電圧Ｖ３も上昇した状態となるから、誤差電圧Ｖ２は殆ど所定の値を維持し、出力電圧Ｖｏｕｔは滑らかに設定値に上昇する。即ち、ソフトスタートによる出力電圧Ｖｏｕｔの立上りを滑らかにすることができる。

ソフトスタート回路は、図１に示す抵抗Ｒ３とコンデンサＣ２とソフトスタートスイッチＳＷによる構成のみでなく、既に知られている各種の構成も適用可能である。又スイッチング素子Ｑ１をオン、オフ制御する為の発振器２５とフリップフロップ２６とを含む構成についても、既に知られているスイッチング制御構成を適用可能である。

本発明の実施例１の説明図である。 本発明の実施例１の動作概要説明図である。 従来例の説明図である。 従来例の動作概要説明図である。

符号の説明

２１ 電流電圧変換器（Ｉ／Ｖ）
２２ 電流検出器
２３ 誤差増幅器
２４ 比較器
２５ 発振器（ＯＳＣ）
２６ フリップフロップ
Ｉ１ 負荷電流
Ｉ２ チョークコイル電流
Ｅ 直流電源
Ｑ１ スイッチング素子
Ｄ１ ダイオード
Ｌ１ チョークコイル
Ｃ１〜Ｃ３ コンデンサ
Ｌ１ チョークコイル
Ｒ１〜Ｒ４ 抵抗
ＲＬ 負荷
ＳＷ ソフトスタートスイッチ
Ｖｒｅｆ 基準電源電圧
Ｖｉｎ 入力電圧
Ｖｏｕｔ 出力電圧
Ｖ１ 電流検出電圧
Ｖ２ 誤差電圧
Ｖ３ 出力検出電圧

Claims (1)

1. 負荷に印加する出力電圧を検出した出力検出電圧と基準電圧とを誤差増幅器に入力して求めた誤差分と、スイッチング素子によりオン、オフ制御した電流をチョークコイルを介して前記負荷に供給すると共に、該電流を検出して電圧に変換した電流検出電圧とを比較器により比較し、差分に対応して前記スイッチング素子のオン期間を制御するカレントモード制御回路と、前記基準電圧を起動時に徐々に上昇させるソフトスタート回路とを含むスイッチング電源装置に於いて、
   前記電流検出電圧を入力する前記比較器の端子と前記出力検出電圧を入力する前記誤差増幅器の端子との間に抵抗とコンデンサとの直列回路を接続した構成を備えた
   ことを特徴とするスイッチング電源装置。

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